大功率柴油機球鐵機體工藝優(yōu)化

楊恒遠，李永剛，劉繼波，于建忠，耿建華

（濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261108）

大功率柴油機球鐵機體工藝優(yōu)化

楊恒遠，李永剛，劉繼波，于建忠，耿建華

（濰柴重機股份有限公司，山東濰坊 261108）

L32機體在生產(chǎn)過程中存在問題較多，冷隔、縮松、夾渣缺陷及尺寸問題尤為突出。針對這些鑄造問題進行了分析并對工藝改進優(yōu)化。經(jīng)過生產(chǎn)驗證，冷隔、縮松、夾渣鑄造缺陷及尺寸問題得到有效控制，提升了鑄件品質(zhì)，滿足了技術文件要求。

冷隔；縮松；夾渣；工藝優(yōu)化

大功率船用柴油機是我公司從MAN公司引進的戰(zhàn)略產(chǎn)品，包含6、7、8、9缸四種機型。大功率柴油機機體體積大、質(zhì)量大，是柴油機的支撐和骨架，承載很多的零部件，對機體的強度和剛度有嚴格的要求，且根據(jù)鑄件品質(zhì)標準要求，對鑄件的關鍵部位需要進行磁粉探傷和超聲波檢測。由于機體尺寸大，造成制芯、研箱困難，因此鑄造操作工序難度大，鑄件在生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)各種各樣的品質(zhì)問題。

L32機體是其中的一種機型，9缸毛坯幾何尺寸為5 760×1 620×1 800（mm），鑄件材質(zhì)為QT400-15，鑄件毛坯質(zhì)量20 t，澆注質(zhì)量約26 t，見圖1。

圖1 L32機體簡圖

L32機體采用堿性酚醛自硬砂工藝、鐵木結合的工藝裝備生產(chǎn)，采用單側底注式澆注系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中存在冷隔、縮松、夾渣等鑄造缺陷，并且在劃線檢驗時發(fā)現(xiàn)存在尺寸問題，嚴重影響鑄件品質(zhì)，見圖2。

圖2 缺陷圖片

1 冷隔產(chǎn)生的原因及解決措施

冷隔是指在鑄件中金屬流匯合處，由于金屬熔液熔合不完善或金屬熔液不連續(xù)所導致的在鑄件中產(chǎn)生的穿透或未穿透的縫隙。L32機體出現(xiàn)冷隔主要集中在兩個位置，鑄件澆注底面和機體公共底盤處。1.1 底面冷隔

根據(jù)工藝設計，L32/40機體采用拔塞澆注工藝，先將塞頭放置在直澆口上面，塞頭與直澆口之間縫隙用涂料抹嚴，然后用鐵液充滿澆口箱，待鐵液溫度滿足澆注溫度的工藝要求時，利用導鏈將塞頭拔起，同時澆包向澆口箱內(nèi)倒入鐵液，直至完成澆注過程。

通過對澆注過程的分析，認為在鑄件底面出現(xiàn)冷隔的原因是塞頭直接放置在直澆口上方，鐵液從澆包倒入澆口箱的過程中對塞頭產(chǎn)生沖擊，塞頭在力的作用下產(chǎn)生晃動，填充塞頭與直澆口間隙的涂料層出現(xiàn)縫隙，鐵液在塞頭拔起以前通過縫隙提前進入型腔內(nèi)至鑄件底面，這時鐵液的不連續(xù)以及底面冷鐵的激冷作用導致底面出現(xiàn)冷隔現(xiàn)象。

經(jīng)過以上分析，確定缺陷的產(chǎn)生是由于塞頭與直澆口之間產(chǎn)生縫隙造成，因此對塞頭的機構進行了改進，增加塞頭壓緊裝置，保證塞頭在鐵液倒入澆口箱的過程中不發(fā)生晃動，在澆注時利用杠桿原理將塞頭拔起，見圖3。采取改進措施后，徹底杜絕了底面冷隔現(xiàn)象。

圖3 改進措施

1.2 底盤冷隔

出現(xiàn)冷隔的位置屬于鑄件澆注時的頂部，分析認為出現(xiàn)冷隔的原因是：①根據(jù)工藝要求，在上箱與中箱進行封箱時會導致上箱直澆道與在砂芯內(nèi)部的直澆道中間存在披縫，澆注過程中鐵液在直澆道充滿的狀態(tài)下經(jīng)過披縫提前進入鑄件型腔所形成的冷隔；②單側澆注系統(tǒng)澆注時間長，澆注過程中鐵液到達公共底盤位置時，溫度較澆注初始溫度下降太多，同時再加上冷鐵的激冷作用導致冷隔現(xiàn)象的發(fā)生。

通過以上分析，首先采用石棉繩或石棉墊并將其固定，增加對直澆道的封箱操作，避免鐵液從披縫進入鑄件型腔；其次由單側澆注系統(tǒng)改為雙側澆注系統(tǒng)，加快澆注速度，降低溫度下降程度，同時適當提高澆注溫度并增大溢流量。

經(jīng)過改進措施的實施，冷隔問題也得到了徹底解決。

2 縮松

縮松是指鑄件最后凝固的區(qū)域沒有得到液態(tài)金屬或合金的補縮形成的分散和細小的縮孔。常分布在鑄件壁厚的軸線區(qū)域、厚大部位、冒口根部和內(nèi)澆口附近?？s松隱藏于鑄件內(nèi)部，外觀上不易被發(fā)現(xiàn)。

縮松可分為宏觀縮松和顯微縮松兩大類。其中宏觀縮松又包含熱節(jié)縮松、軸線縮松和移砂縮松。根據(jù)L32機體縮松出現(xiàn)的位置，可認定為熱節(jié)縮松。在鑄件工藝熱節(jié)或結構熱節(jié)處產(chǎn)生的縮松，稱之為熱節(jié)縮松。熱節(jié)縮松隱藏于鑄件壁厚內(nèi)部，用X射線檢驗、水壓(氣壓)檢查或切削加工予以暴露才能發(fā)現(xiàn)。熱節(jié)比與之相銜接的聯(lián)接壁厚實，因而凝固的比聯(lián)接壁慢。當無其他補縮源時，熱節(jié)就成為聯(lián)接壁的補縮源。對于有凝固溫度范圍的合金而言，如果熱節(jié)對聯(lián)接壁只有過濾補縮，并且由于熱節(jié)自身的凝固時期體收縮無法得到補償，則熱節(jié)中就形成熱節(jié)補縮[1]。

通過對熱節(jié)縮松出現(xiàn)的原因進行分析，確定在熱節(jié)處增加外冷鐵的改進措施，見圖4。

圖4 增加外冷鐵的改進措施

使用外冷鐵，實現(xiàn)熱節(jié)同聯(lián)接壁的同時凝固，以免熱節(jié)成為聯(lián)接壁的補縮源，消除熱節(jié)縮松的發(fā)生。經(jīng)過生產(chǎn)驗證，熱節(jié)部位經(jīng)超聲波檢測后完全合格，滿足了MAN機鑄件品質(zhì)標準的要求。

3 夾渣

夾渣是指鑄件內(nèi)部或表面有外來的非金屬夾雜物。這種非金屬夾雜物統(tǒng)稱為“渣滓”，故稱這種缺陷為夾渣。按渣滓形成時間先后，有一次渣滓和二次渣滓之區(qū)別。一次渣滓形成于先，它是指合金冶煉或熔煉時的冶金熔渣(氧化渣、還原渣、酸性渣、堿性渣等)或溶劑所形成的渣滓；或金屬液同爐襯、包襯相互作用產(chǎn)生的渣滓；或金屬液爐前處理，例如孕育處理或變質(zhì)處理后生成的渣滓。二次渣滓形成于后，它是指僅屬于在澆包內(nèi)擋住或去除一次渣滓后，進行澆注直至充型過程中，由于金屬液的二次氧化或其他各種原因而形成的渣滓。這兩種夾渣易出現(xiàn)在鑄件的上表面，砂芯的下表面或鑄件的死角處[1]。

根據(jù)L32機體出現(xiàn)的夾渣位置，結合夾渣的形成原因，制定以下改進措施：

⑴熔煉工藝。①電爐內(nèi)高溫靜置扒渣；②澆包內(nèi)鐵液扒渣并增加擋渣裝置；③采用澆口箱澆注工藝，使鐵液中的夾雜物充分上??；④應用滾筒式拋丸清理機，去除金屬爐料表面的銹臟。

⑵澆注系統(tǒng)改進。原內(nèi)澆口位于一顆砂芯的中間部位，通過移動內(nèi)澆口位置，使其由原內(nèi)澆口的鐵液直沖砂芯芯頭變?yōu)椴恢睕_砂芯芯頭，以避免鐵液形成紊流，保證充型平穩(wěn)，減少鐵液中的夾雜物的形成，見圖5。

改進措施完成后，夾渣缺陷得到了顯著改善。

圖5 澆注系統(tǒng)改進措施

4 尺寸

尺寸是指鑄件毛坯尺寸。毛坯尺寸的實測偏差，超過鑄件尺寸公差規(guī)定的正極限偏差或負極限偏差，這種鑄件缺陷稱之為尺寸超差。鑄件毛坯正超差，一般毛坯質(zhì)量也正超重，鑄件就“肥頭大耳”，耗費能源和金屬材料，機械加工時延長加工時間，經(jīng)濟效益差。鑄件毛坯尺寸負超差，會使機械加工余量不夠或甚至無此余量而無法加工，亦會使鑄件報廢；會使鑄件壁厚過薄，導致鑄件結構強度降低，剛性變差；水壓或氣壓檢驗的容器鑄件，由于壁厚過薄也易滲漏[1]。

L32機體在劃線檢驗時發(fā)現(xiàn)公共底盤、油孔等部位的厚度偏小，不能達到圖紙要求尺寸，屬于鑄件尺寸負超差缺陷，而恰恰這些尺寸屬于重要尺寸，一旦失控，將對鑄件品質(zhì)造成極大的影響。

經(jīng)過對整個過程的排查，并對整套機體芯盒進行測量，確定出現(xiàn)尺寸問題是由設計和操作兩方面的原因造成?？紤]成本問題再加上生產(chǎn)等各方面因素的制約，L32機體的工裝不可能在進行重新制作。因此針對尺寸問題，制定以下措施：(1)對芯盒進行修改，同時采取工藝補正措施，對尺寸偏小部位適當進行補貼；(2)重新設計制作樣板，對鑄件的關鍵尺寸進行控制，并對操作者進行培訓，嚴格控制操作規(guī)范；(3)在尺寸滿足加工工藝的前提下，適當借線加工。

采取措施后，尺寸問題也得到了徹底解決。

5 結論

大型球鐵柴油機機體在鑄造生產(chǎn)過程中影響鑄件品質(zhì)的因素很多，也會產(chǎn)生多種鑄造缺陷，但是只要認真分析，不斷總結，并對整個鑄造生產(chǎn)過程嚴格控制，無論是設計方面的原因，還是操作方面的原因，總能找到合理的解決方法。通過對鑄造工藝進行優(yōu)化，才能不斷提高產(chǎn)品品質(zhì)，滿足客戶的需求，提升企業(yè)競爭力。

[1] 陳國楨，肖珂則，姜不居.鑄件缺陷和對策手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,1996.

[2] 王潘興,于建忠,畢海香,等. 大功率柴油機球鐵機體鑄造工藝探討[J]. 中國鑄造裝備與技術,2015(2).

Casting process optimization of large power ductile cast iron cylinder crankcase

YANG HengYuan,LI YongGang,LIU JiBo,YU JianZhong,GENG JianHua
(Weichai heavy machinery Co.,Ltd., Weichai Group,Weifang 261108,Shandong,China)

There are some problems in the process of production about L32 cylinder for the strategic product Introduced from MAN company. Cold insulation, shrinkage porosity, slag inclusion and the size problem are particularly prominent. The casting problems mentioned above were analyzed and process optimization measures were suggested in this article. Through production verification, the casting problems such as cold insulation, shrinkage, slag inclusion and the size problem have been effectively controlled. The casting quality was improved signifi cantly and the castings can meet the quality standards of MAN company.

cold insulation;shrinkage porosity;slag inclusion;size problem;process optimization

TG244+.4；

A；

1006-9658（2016）05-42-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.012

2016-03-31

稿件編號:1603-1314

楊恒遠（1982—），男，工程師，主要從事鑄造工藝開發(fā)及現(xiàn)場管理工作.